KR20130084841A - 열교환기 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열교환기 및 그 제조방법에 관한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 열교환기에는, 냉매가 유동되는 중공의 냉매 튜브; 상기 냉매 튜브에 감겨지도록 배치되며, 서로 이격되어 다수 개가 배치되는 열교환 핀; 상기 냉매 튜브의 외주면과 열교환 핀의 내주면 사이에 이격된 공간으로서 규정되는 이격 공간부; 및 상기 이격 공간부에 개재되며, 상기 냉매 튜브와 열교환 핀이 밀착되도록 하는 용접층이 포함된다.

Description

열교환기 및 그 제조방법 {A heat exchanger and manufacturing method the same}
본 발명의 실시예는 열교환기 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 냉매 시스템은 압축기-응축기-팽창장치-증발기로 구성된다.
도 1에 도시되는 바와 같이, 냉매 시스템(1)에는, 냉매를 압축하는 압축기(10)와, 상기 압축기(10)에서 압축된 냉매를 응축하는 응축기(20)와, 상기 응축기(20)에서 응축된 냉매를 감압하기 위한 팽창장치(30) 및 상기 팽창장치(30)를 통과한 냉매를 증발시키기 위한 증발기(40)가 포함된다.
상기 응축기(20)와 증발기(40)에는, 외기를 송풍하기 위한 응축팬(22) 및 증발팬(42)이 각각 제공된다. 상기 응축기 또는 증발기는, 내부의 냉매가 외부의 유체와 열교환되도록 하므로, 열교환기로도 통칭된다.
상기 열교환기는, 핀-튜브 타입 열교환기와, 마이크로 채널튜브 타입 열교환기로 구분될 수 있다.
상기 핀-튜브 타입 열교환기에는, 다수 개의 열교환 핀과 상기 다수 개의 핀을 관통하는 다수 개의 원형 또는 원형과 유사한 형상의 냉매 튜브가 포함된다. 반면, 상기 마이크로 채널 튜브타입 열교환기는, 다수 개의 플랫 튜브와, 상기 각 플랫 튜브 사이에 제공되며 다수 회 절곡되는 핀이 포함된다.
핀-튜브 타입 열교환기에 있어서, 상기 냉매 튜브를 유동하는 냉매는 상기 열교환 핀의 면적을 열교환 면적으로 하여 외부 유체와 열교환 된다. 이 과정에서, 냉매는 응축 또는 증발될 수 있다.
이러한 핀-튜브 타입 열교환기에서의 열교환 효율은, 상기 냉매 튜브와 열교환 핀이 서로 견고하게 결합되어 있는지 여부에 기초하여 결정될 수 있다. 즉, 상기 냉매 튜브와 열교환 핀이 밀착되어 결합되지 않는 경우에는, 냉매와 외부 유체간에 효과적인 열교환 작용이 발생하는 것이 제한될 수 있다.
그러나, 종래의 열교환기에 의하면, 냉매 튜브의 외측에 열교환 핀이 단순히 삽입되도록 구성됨으로써, 냉매 튜브의 외주면과 열교환 핀의 내주면 사이에는 서로 이격되는 부분이 존재하고, 이에 따라 열교환이 효율적으로 이루어지지 못하는 문제점이 있었다.
게다가, 열교환 핀이 냉매 튜브의 전체 외주면 중 일부에는 견고하게 결합되더라도 다른 일부에는 견고하게 결합되지 않음으로써, 열교환 작용이 열교환기의 위치에 따라서 불균일하게 발생하여, 전체적인 열교환 효율이 저하되는 문제점이 발생하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 냉매 튜브와 열교환 핀이 견고하게 결합될 수 있는 열교환기 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 열교환기에는, 냉매가 유동되는 중공의 냉매 튜브; 상기 냉매 튜브에 감겨지도록 배치되며, 서로 이격되어 다수 개가 배치되는 열교환 핀; 상기 냉매 튜브의 외주면과 열교환 핀의 내주면 사이에 이격된 공간으로서 규정되는 이격 공간부; 및 상기 이격 공간부에 개재되며, 상기 냉매 튜브와 열교환 핀이 밀착되도록 하는 용접층이 포함된다.
또한, 다른 측면에 따른 열교환기의 제조방법에는, 파이프 형상의 냉매튜브 소재를 일방향으로 연장시켜 냉매튜브를 가공하는 단계; 열교환 핀 소재의 적어도 일측면에 용접제를 도포하는 단계; 상기 열교환 핀 소재 및 용접제를 가공하여 열교환 핀을 형성하는 단계; 상기 냉매튜브의 외주면에 상기 열교환 핀을 와인딩(winding) 하는 단계; 및 상기 냉매튜브와 열교환 핀을 가열하여, 상기 냉매튜브의 외주면과 열교환 핀의 내주면 사이에 용접층을 형성하는 단계가 포함된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 열교환기에 용접층이 구비되어 냉매 튜브와 열교환 핀이 견고하게 결합될 수 있으므로, 냉매 튜브와 열교환 핀 사이의 열 전도도가 향상될 수 있다는 효과가 있다.
또한, 냉매 튜브의 전체 면적에 걸쳐 열교환량이 균일하게 형성될 수 있으므로, 열교환기에서의 냉매와 외부 유체간 열교환 효율이 개선될 수 있다는 장점이 있다.
또한, 열교환기의 조립 및 용접 과정이 간단하며, 열교환기의 제조비용이 절감되는 효과가 있다.
결국, 열교환기의 불량률이 감소되고, 완성된 열교환기 제품의 신뢰성이 증대될 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 종래의 냉매 시스템의 구성을 보여주는 시스템 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열교환기 어셈블리의 구성을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열교환기의 제조방법을 보여주는 플로우 챠트이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열교환 핀의 가공 공정을 보여주는 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 냉매 튜브와 열교환 핀의 조립 공정을 보여주는 도면이다.
도 7은 도 6의 I-I'를 따라 절개한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 냉매 튜브와 열교환 핀의 용접 공정후의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 열교환기의 벤딩된 모습을 보여주는 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열교환기 어셈블리의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열교환기 어셈블리(100)에는, 냉매가 유동하는 냉매 튜브(110) 및 상기 냉매 튜브(110)의 외측에 배치되며 냉매와 외부 유체(일례로, 공기)간의 열교환 면적을 제공하는 열교환 핀(150)이 포함된다.
상기 냉매 튜브(110)는 중공의 파이프 형상으로서, 알루미늄 소재로 구성될 수 있다. 그리고, 상기 열교환 핀(150)은 상기 냉매 튜브(110)의 외주면에 감겨지도록 배치되며 서로 이격되어 다수 개가 배치될 수 있다.
상기 열교환기 어셈블리(100)에는, 냉매 사이클을 순환하는 냉매의 유동을 가이드 하는 냉매관(50) 및 냉매를 감압시키기 위한 팽창장치(30)가 포함된다. 상기 팽창장치(30)에는, 모세관(capillary)이 포함될 수 있다. 상기 냉매관(50) 및 팽창장치(30)는 상기 열교환기(110,150)의 입구측 또는 출구측에 연결될 수 있다.
상기 열교환기 어셈블리(100)에는, 상기 열교환기(110,150)가 소정의 장소(이하, 설치장소)에 설치되도록 하는 브라켓(180)이 포함된다. 일례로, 상기 열교환기(110,150)가 냉장고에 사용되는 경우, 상기 열교환기(110,150)는 상기 브라켓(180)에 의하여 냉장고의 기계실에 설치 또는 고정될 수 있다.
한편, 상기 냉매 튜브(110)에는, 일방향으로부터 타방향으로 절곡되어 형성되는 절곡부(118)가 포함된다. 상기 열교환기(110,150)는 제한된 용적을 가지는 설치장소에 배치되어야 하는 바, 그 부피를 감소하기 위하여 절곡되도록 가공될 수 있다.
상기 절곡부(118)는 상기 냉매 튜브(110)의 다수의 위치에 형성되며, 이에 따라 상기 냉매 튜브(110)는 다수회 절곡되어 상하 방향으로 여러 층을 형성하도록 구성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열교환기의 제조방법을 보여주는 플로우 챠트이다. 도 3을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 열교환기 어셈블리(100)의 제조방법을 설명한다.
먼저, 냉매튜브(110)에 사용되는 소재, 일례로 알루미늄 소재를 파이프 형상으로 마련하여 길이 방향으로 길게 가공한다. 즉, 중공의 알루미늄 파이프가 직선으로 연장되도록 가공한다. 이와 같이 알루미늄 소재를 가공함으로써, 파이프 형상의 냉매튜브(110)가 마련된다(S11).
열교환 핀(150)에 사용되는 소재, 일례로 알루미늄 소재의 적어도 일면에 용접제(일례로, clad)를 도포한다.
상기 용접제는 상기 냉매 튜브(110)와 열교환 핀(150)을 결합시키기 위한 구성으로서, 상기 냉매 튜브(110)와 열교환 핀(150)이 결합된 상태에서 그 사이에 발생하는 간격을 메워주는 기능을 할 수 있다. 그리고, 상기 용접제는 냉매 튜브(110) 및 열교환 핀(150)의 소재, 즉 알루미늄보다 용융점이 낮은 물질로 구성된다(S12).
그리고, 용접제가 도포된 열교환 핀(150)의 소재를 압연하는 단계를 거친다. 상기 열교환 핀(150)의 소재가 압연되는 단계에서, 상기 냉매 튜브(110)에 결합될 열교환 핀(150)의 두께가 구현될 수 있다. 압연 공정에 의하여, 상기 열교환 핀(150)은 얇은 판상으로 형성된다(S13).
냉매 튜브(110)의 외측에 상기 열교환 핀(150)이 결합된다. 상기 열교환 핀(150)은 상기 냉매 튜브(110)의 외주면을 따라 감겨지면서(winding) 소정의 곡률을 형성하게 된다(S14).
상기 냉매 튜브(110)와 열교환 핀(150)이 결합된 상태에서, 냉매 튜브 조립품(110,150)은 가열로에서 가열될 수 있다. 일례로, 상기 열교환기(110,150)는 서로 조립된 상태에서 용접로(Normal blazing furnace) 내에서 브레이징(brazing) 용접될 수 있다.
상기 브레이징 용접은, 용접로 내에서 환원성 가스(일례로, 수소-질소, 분해 암모니아, LPG 또는 LNG)를 사용하거나 진공 상태에서 복수의 모재를 접합시키는 용접방법으로서 이해된다.
이 과정에서, 상기 열교환 핀(150)에 구비되는 용접제는 녹으면서 상기 냉매 튜브(110)와 열교환 핀(150)을 견고하게 결합시킬 수 있다(S15).
상기 냉매 튜브(110)와 열교환 핀(150)이 견고하게 결합된 후, 열교환기(110,150)를 소정 형상으로 벤딩할 수 있다. 그리고, 열교환기 어셈블리(100)에 채용되는 부속품, 일례로 상기 냉매관(50), 팽창장치(30) 및 브라켓(180)등을 상기 열교환기(110,150)에 체결시킨다(S16).
이하에서는, 열교환기 및 그 제조방법에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열교환 핀의 가공 공정을 보여주는 도면이고, 도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 냉매 튜브와 열교환 핀의 조립 공정을 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열교환 핀(150)은 열교환 핀 소재(152) 및 상기 열교환 핀 소재(152)의 양측면에 도포되는 용접재(153)가 압연되는 공정에 의하여 구성된다. 상기 용접재(153)는 상기 열교환 핀 소재(152)에 비하여 얇은 두께로 도포될 수 있다.
상세히, 상기 열교환 핀(150)을 압연하는 장치에는, 복수의 롤러부(210,220)가 포함된다. 상기 복수의 롤러부(210,220)에는, 회전 가능하게 제공되는 제 1 롤러부(210) 및 상기 제 1 롤러부(210)와 대향하는 위치에 이격되어 배치되어 회전 가능하게 제공되는 제 2 롤러부(220)가 포함된다.
상기 제 1 롤러부(210)는 시계 방향 및 반시계 방향 중 일 방향으로 회전될 수 있으며, 상기 제 2 롤러부(220)는 시계 방향 및 반시계 방향 중 다른 방향으로 회전될 수 있다.
회전되는 복수의 롤러부(210,220) 사이로 상기 열교환 핀 소재(152) 및 용접재(153)가 이동되며, 상기 열교환 핀 소재(152) 및 용접재(153)는 상기 롤러부(210,220)에 의하여 설정된 두께로 압연된다. 압연 공정이 완료되면, 상기 열교환 핀(150)이 마련될 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 열교환 핀(150)은 냉매 튜브(110)의 외주면에 감겨질 수 있다. 상세히, 상기 열교환 핀(150)은 롤 장치(230)의 외주면에 권취되도록 배치되며, 상기 냉매 튜브(110)의 일측 단부는 튜브 고정부(240)에 고정되도록 배치된다.
상기 열교환 핀(150)의 단부를 상기 냉매 튜브(110)의 외주면 중 일 위치에 고정시키고, 상기 튜브 고정부(240)를 회전시킨다. 상기 튜브 고정부(240)가 설정된 각도만큼 회전되면, 일례로 상기 튜브 고정부(240)가 1회전(360도) 되면, 상기 튜브 고정부(240)의 회전은 정지된다.
상기 튜브 고정부(240)의 회전에 의하여, 상기 열교환 핀(150)은 상기 냉매 튜브(110)의 외주면을 둘러싸도록 배치된다. 그리고, 둘러싸여진 열교환 핀(150)을 상기 롤 장치(230)로부터 절단한다. 이로써, 하나의 열교환 핀(150)이 상기 냉매 튜브(110)에 결합된다.
열교환 핀(150)을 추가로 결합하기 위하여, 상기 냉매 튜브(110)는 상기 튜브 고정부(240)와 함께 A 방향으로 설정거리 만큼 이동된다. 그리고, 위와 같은 열교환 핀(150)과 냉매 튜브(110)의 결합 공정을 반복하여 수행할 수 있다.
이러한 열교환 핀(150)의 와인딩(winding) 공정이 완료되면, 도 6에 도시되는 바와 같이, 상기 냉매 튜브(110)의 외주면에 다수의 열교환 핀(150)이 조립될 수 있다.
도 7은 도 6의 I-I'를 따라 절개한 단면도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 냉매 튜브와 열교환 핀의 용접 공정후의 구성을 보여주는 단면도이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 열교환기의 벤딩된 모습을 보여주는 도면이다.
도 7을 참조하면, 상기 냉매 튜브(110)에 열교환 핀(150)이 조립된 상태에서, 상기 냉매 튜브(110)와 열교환 핀(150)은 소정거리 만큼 이격되어 배치될 수 있다. 즉, 상기 냉매 튜브(110)의 외주면과 열교환 핀(150)의 내주면 사이에는, 이격 공간부가 형성된다. 그리고, 상기 이격 공간부를 규정하는 반경 방향의 거리는 이격 거리(ℓ1)일 수 있다.
상기 열교환기 어셈블리(100)의 제조과정이 완료되었을 때 상기 이격 거리(ℓ1)가 유지된다면, 열교환기(110,150)가 사용되는 과정에서 냉매 튜브(110)내의 냉매와 열교환 핀(150)에 접촉하는 외부 유체간의 열교환 성능이 저하될 수 있다. 따라서, 상기 냉매 튜브(110)와 열교환 핀(150)이 밀착되도록 하는 것은 열교환 성능을 결정하는 중요한 인자일 수 있다.
상기 냉매 튜브(110)를 둘러싸는 환형의 열교환 핀(150)에 있어서, 상기 열교환 핀(150)의 내측면 및 외측면에는 용접재(153)가 배치된다. 상기 열교환기(110,150)가 용접로에서 가열되는 과정에서, 상기 용접재(153)는 용융되어 상기 냉매 튜브(110)와 열교환 핀(150)의 사이 공간으로 흘러 들어간다.
상세히, 상기 열교환 핀(150)의 내주면에 위치한 용접재(153)는 용융되어 상기 냉매 튜브(110)의 외주면에 접하도록 위치될 수 있다. 그리고, 상기 열교환 핀(150)의 외주면에 위치한 용접재는 용융된 상태에서 상기 열교환 핀(150)을 따라서 이동되어 상기 냉매 튜브(110)의 외주면에 위치될 수 있다.
상기 냉매 튜브(110)와 열교환 핀(150)은 가열 과정이 완료되면 냉각될 수 있으며, 냉각 과정에서 상기 용접재는 상기 냉매 튜브(110)와 열교환 핀(150)을 결합시키게 된다.
즉, 도 8에 도시되는 바와 같이, 상기 냉매 튜브(110)의 외주면과 열교환 핀(150)의 내주면 사이에는 용접층(155)이 형성된다. 상기 용접층(155)에 의하여 상기 냉매 튜브(110)와 열교환 핀(150)은 밀착 결합될 수 있다.
다시 말하면, 상기 냉매 튜브(110)의 외주면과 열교환 핀(150)의 내주면은 이격되나, 그 이격된 공간에 용접층(155)이 개재되어 상기 냉매 튜브(110)와 열교환 핀(150)을 결합시킬 수 있게 된다.
따라서, 상기 냉매 튜브(110)와 열교환 핀(150)간의 접촉 면적은 증대되며, 상기 냉매 튜브(110)의 냉매와 외부 유체간의 열전도도가 향상될 수 있다. 특히, 상기 냉매 튜브(110)의 전체 면적에 걸쳐 열교환 핀(150)을 통한 냉매와 외부 유체간의 열교환 양이 균일하게 형성될 수 있게 된다.
도 9를 참조하면, 냉매 튜브(110)와 열교환 핀(150)의 사이에 용접층(155)이 형성된 상태에서, 상기 냉매 튜브(110)는 벤딩될 수 있다.
벤딩 공정에 의하여, 상기 냉매 튜브(110)에는 다수의 절곡부(118)가 형성되며, 열교환기(110,150)의 체적은 소정 체적 이하로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 열교환기(110,150)는 제한된 설치 공간에 용이하게 설치될 수 있다.
다른 실시예를 제안한다.
도 4에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 실시예는 열교환 핀 소재(152)의 양 측면에 용접재(153)가 도포되는 것을 특징으로 하여 설명되었다.
그러나, 이와는 달리, 상기 용접재(153)는 상기 열교환 핀 소재(152)의 외측면 중 일측면에만 도포되도록 구성될 수도 있을 것이다. 상기 일측면은, 상기 냉매 튜브(110)의 외주면에 상기 열교환 핀 소재(152)를 감을 때, 상기 열교환 핀 소재(152)의 내측면에 대응되는 면, 즉 냉매 튜브(110)의 외주면에 인접한 면일 수 있다.
이와 같이 용접재가 배치된 상태에서, 상기 냉매 튜브(110)와 열교환 핀(150)이 가열되면 용접재는 용융되어 인접한 냉매 튜브(110)의 외주면에 접할 수 있고, 냉각 과정에서 상기 냉매 튜브(110)와 열교환 핀(150)을 서로 결합시키도록 작용할 수 있게 된다.
30 : 팽창장치 50 : 냉매관
100 : 열교환기 어셈블리 110 : 냉매 튜브
118 : 절곡부 150 : 열교환 핀
152 : 열교환 핀 소재 153 : 용접재
155 : 용접층 180 : 브라켓
210 : 제 1 롤러부 220 : 제 2 롤러부
230 : 롤 장치 240 : 튜브 고정부

Claims (9)

  1. 냉매가 유동되는 중공의 냉매 튜브;
    상기 냉매 튜브에 감겨지도록 배치되며, 서로 이격되어 다수 개가 배치되는 열교환 핀;
    상기 냉매 튜브의 외주면과 열교환 핀의 내주면 사이에 이격된 공간으로서 규정되는 이격 공간부; 및
    상기 이격 공간부에 개재되며, 상기 냉매 튜브와 열교환 핀이 밀착되도록 하는 용접층이 포함되는 열교환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 용접층은,
    상기 열교환 핀의 양측면에 용접제가 도포된 상태에서 용융 및 냉각되어 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 냉매 튜브에는, 일방향으로부터 타방향을 향하여 절곡되어 형성되는 다수의 절곡부가 포함되는 열교환기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉매 튜브의 일측 단부는 튜브 고정부에 고정된 상태에서 회전되며,
    상기 열교환 핀은 롤 장치에 권취된 상태에서 상기 냉매 튜브의 외주면에 감겨지는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  5. 파이프 형상의 냉매튜브 소재를 일방향으로 연장시켜 냉매튜브를 가공하는 단계;
    열교환 핀 소재의 적어도 일측면에 용접제를 도포하는 단계;
    상기 열교환 핀 소재 및 용접제를 가공하여 열교환 핀을 형성하는 단계;
    상기 냉매튜브의 외주면에 상기 열교환 핀을 와인딩(winding) 하는 단계; 및
    상기 냉매튜브와 열교환 핀을 가열하여, 상기 냉매튜브의 외주면과 열교환 핀의 내주면 사이에 용접층을 형성하는 단계가 포함되는 열교환기의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 용접제를 도포하는 단계에는,
    상기 열교환 핀 소재의 일측면 및 타측면에 용접제를 도포하는 단계가 포함되는 열교환기의 제조방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 열교환 핀을 형성하는 단계에는,
    복수의 롤러부 사이에 열교환 핀을 통과시켜 상기 열교환 핀 소재 및 용접제를 압연하는 단계가 포함되는 열교환기의 제조방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 열교환 핀을 와인딩 하는 단계에는,
    롤 장치에 권취된 열교환 핀을 상기 냉매 튜브의 외주면에 위치시키고,
    상기 냉매 튜브의 일측 단부를 고정하는 튜브 고정부를 회전시키는 단계가 포함되는 열교환기의 제조방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 용접층을 형성하는 단계에는,
    상기 냉매 튜브와 열교환 핀을 용접로 내에서 브레이징 용접하는 단계가 포함되는 열교환기의 제조방법.




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